本发明专利技术涉及一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置及实验方法，装置包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、岩芯转移机构、取样机构和工控机；实验方法在装置上完成，有水合物沉积物气体渗透率实验的方法，钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法；水合物沉积物岩芯保真转移方法。本发明专利技术提供了前期室内天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性研究，可掌握钻井液侵入对水合物地层物性的影响规律，可实现模拟含水合物沉积物样品的保真转移，为今后水合物地层开发钻井安全和测井准确解释提供依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种。
技术介绍
天然气水合物具有能量密度高、分布广、储量大等特点，是一种很有潜力的新型替代能源。但是至今在水合物勘探与开发应用的天空上还存在储层定量描述不够，开采技术不过关和开发应用风险不小“三朵乌云”的问题。由于含天然气水合物地层是具有渗透性的多孔介质体，钻进过程中钻井液不可避免地会与它发生能量和物质交换，从而影响井壁稳定、测井响应和储层评价。在过压钻井和钻井液温度高于此处水合物相平衡温度的情况下， 水基钻井液驱替侵入含天然气水合物地层和温差下热传导导致的天然气水合物分解是耦合在一起的，其过程是一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。仅采用常见的数值模拟方法存在模型的假设和简化等缺点，无法真实准确的反应实际情况，加上野外水合物地层实际钻井活动少，且操作困难、成本高、风险大，以及实际钻井过程孔内情况往往不可见， 采用实际的测井方式来推断井周储层情况还存在许多不确定性。因此人们也进行了一些室内的模拟实验研究，设计了一些实验装置，建立了一些实验的方法，比如国内《现代地质》 2008年3期“甲烷水合物分解过程模拟实验研究”中曾公开了采用实验模拟的方法进行甲烷水合物分解率研究，实验中采用了等容升温分解和不同粒径多孔介质体系常压分解等方法研究水合物的分解特征；国家知识产权局在2011年6月公开了“一种天然气水合物三维生成开采物性检测实验装置”，申请号为201010603251. 0，该装置可以精确测量开采时物性变化，能用于综合研究各种水合物生成和开采时水合物藏内部的基础物性变化。但上述实验装置和方法的不足之处在于仅能用于水合物开采过程中的模拟实验研究，而忽视了水合物勘探与开采过程中的钻井活动及其钻井液侵入对水合物地层的影响。因此，研究水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性对实现水合物安全高效的勘探开发具有重要意义。针对上述状况，在水合物地层钻井前期先进行室内模拟实验研究是一种合理的选择，有必要通过在室内建立一种能综合模拟的实验装置和实验方法，系统研究水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性，为今后水合物的安全高效勘探开发提供理论基础和实验指导。
技术实现思路
本专利技术的目的一是提供一种能综合研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，二是在提供的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置基础上提供一套完整的实验方法。本专利技术为了达到上述目的，所采取的技术方案是提供一种研究水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构和工控机，还设有岩芯转移机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、 出口计量机构、取样机构；所述的钻井液循环机构由钻井液贮罐、温控仪、钻井液循环泵和物理模型机构的井口环空腔构成，温控仪控制钻井液温度，钻井液在钻井液循环泵作用下在物理模型机构的井口环空腔中循环流动渗入到岩芯夹持器内的水合物沉积物中；所述的高低温恒温实验箱为一个工控机控制的可编程恒温实验箱，实验箱内设有物理模型机构，在物理模型机构左端设有钻井液井口环空腔，上部设有一个取样点，红外相机安装在实验箱内的滑轮轨道上，与物理模型机构轴线对准，且可左右移动；在物理模型机构内设有岩芯夹持器，岩芯夹持器左右两侧设左端盖和右端盖，测试岩芯放在岩芯夹持器内， 在岩芯夹持器的轴向上设有电阻率、压力、温度的测点；物理模型机构通过其上部、下部和端部的高压管线与控制压力的阀、压力表与气测渗透率机构、水/气注入机构、取样机构相连；物理模型机构上的十站位测点处的传感器分别通过信号线和高压管路与测量机构相连；转移岩芯夹持器中形成的水合物沉积物岩芯时，将岩芯夹持器右端与岩芯转移机构相连实现转移；所述的气测渗透率机构含有三套不同渗透压力的氮气管路，分别测试高、中、低三种渗透率水合物沉积物的渗透性；所述的水/气注入机构包括液体水注入机构和天然气注入机构，液体水注入机构由平流泵和活塞容器组成；天然气注入机构包括天然气瓶、减压阀、气体增压泵和气体流量计，通过气体流量计控制进入物理模型机构的天然气量，实现岩芯夹持器中不同饱和度水合物沉积物的合成；所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵和压力传感器组成，跟踪物理模型机构中环压腔与岩芯夹持器内腔中的压力差；所述的回压机构由回压阀、回压缓冲容器和回压泵组成；所述检测机构含有压力测量机构、电阻率测量机构、流量检测、温度控制与检测机构；所述的出口计量机构由气液分离器、气体质量流量计和电子天平组成；所述的取样机构采用手动泵和活塞式取样器，在活塞式取样器的活塞的左端预增入一与物理模型机构内同等的压力，再通过退泵实现等压取样；所述的工控机在Windows 2000或XP环境下运行，采用VB编程，适时对各种压力、温度、电阻率、气体体积、液体体积数值的采集和处理，控制各机构的运行。本专利技术的实验装置，所述的岩芯夹持器在其轴向上均勻布置10站位测点，分别安装有10个压力传感器C，10个温度传感器和10个电阻率传感器。本专利技术的实验装置，所述的岩芯夹持器规格为Φ 50mm，长度1200mm，测试岩芯 Φ 50mm,长度500 1200mm，测试岩芯长度不足1200mm部分通过假岩芯补长，测试岩芯可采用天然岩芯、人造岩芯或填砂模型。所述的假岩芯补长是指当测试岩芯长度不能填满整个岩芯夹持器时，利用假岩芯将岩芯夹持器内测试岩芯补长至1200mm以填满整个岩芯夹持器。所述的假岩芯如不锈钢材料制的成空心圆筒体假岩芯。本专利技术的实验装置，所述的岩芯保真转移机构由外腔体、内腔体、活塞、手动泵、环状腔、温度控制仪、压力控制仪、封隔板和接头组成，外腔体内含有内腔体，内腔体一端安装有活塞，另一端安装有封隔板，接头装在封隔板外侧，压力控制仪与内腔体连接，温度控制仪与环状腔连接。 为了达到本专利技术的第二个目的，提供一种将所述的实验装置用于研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验方法，包含有水合物沉积物气体渗透性测试实验方法，钻井液对水合物沉积物的侵入及侵入过程中水合物沉积物动态响应特性监测的实验方法；水合物沉积物岩芯保真转移方法；所述的水合物地层气体渗透性测试实验方法，分为低、中、高三种不同渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法，具体步骤如下(1)所述的低渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤a.注水液体水储存容器中的液体水通过平流泵经活塞容器A注入岩芯夹持器中的测试岩芯内；b.注气液体水注入结束后，开启天然气瓶，CH4气体经过减压阀，当天然气压力低于实验所需压力时，开启气体增压泵增压，气体压力由压力表D显示，流经阀⑤；c.选择低渗透注气管路，CH4气体经过阀⑥、阀⑦、低流量计构成的低渗透管路，进入岩芯夹持器中测试岩芯，待测试岩芯中压力达到设定压力8 12MPa并保持2 3小时后停止注气；d保温调节高低温恒温实验箱的温度，使物理模型机构中测试岩芯在4°C恒温条件下静置12 20小时，在岩芯夹持器中形成低渗透性的水合物沉积物；e.气测渗透率进行低渗实验，此时阀①、阀⑦、阀⑥打开，其它阀门关闭，开启氮气瓶 A,瓶中氮气经高压调压阀B调压至4MPa后进入物理模型机构，气体渗入压力由压力表E显示，通过低流量计测试低渗透性水合物沉积物的渗透率；(2)所述的中渗透性水合物沉积物渗透性测试实验方法的步骤步骤a本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水／气注入机构和工控机，其特征在于：还设有岩芯转移机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、取样机构；所述的钻井液循环机构由钻井液贮罐、温控仪、钻井液循环泵和物理模型机构的井口环空腔构成，温控仪控制钻井液温度，钻井液在钻井液循环泵作用下在物理模型机构的井口环空腔中循环流动渗入到岩芯夹持器内的水合物沉积物中；所述的高低温恒温实验箱为一个工控机控制的可编程恒温实验箱，实验箱内设有物理模型机构，在物理模型机构左端设有钻井液井口环空腔，上部设有一个取样点，红外相机安装在实验箱内的滑轮轨道上，与物理模型机构轴线对准，且可左右移动；在物理模型机构内设有岩芯夹持器，岩芯夹持器左右两侧设左端盖和右端盖，测试岩芯放在岩芯夹持器内，在岩芯夹持器的轴向上设有电阻率、压力、温度的测点；物理模型机构通过其上部、下部和端部的高压管线与控制压力的阀、压力表与气测渗透率机构、水／气注入机构、取样机构相连；物理模型机构上的十站位测点处的传感器分别通过信号线和高压管路与测量机构相连；转移岩芯夹持器中形成的水合物沉积物岩芯时，将岩芯夹持器右端与岩芯转移机构相连实现转移；所述的气测渗透率机构含有三套不同渗透压力的氮气管路，分别测试高、中、低三种渗透率水合物沉积物的渗透性；所述的水／气注入机构包括液体水注入机构和天然气注入机构，液体水注入机构由平流泵和活塞容器组成；天然气注入机构包括天然气瓶、减压阀、气体增压泵和气体流量计，通过气体流量计控制进入物理模型机构的天然气量，实现岩芯夹持器中不同饱和度水合物沉积物的合成；所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵和压力传感器组成，跟踪物理模型机构中环压腔与岩芯夹持器内腔中的压力差；所述的回压机构由回压阀、回压缓冲容器和回压泵组成；所述检测机构含有压力测量机构、电阻率测量机构、流量检测、温度控制与检测机构；所述的出口计量机构由气液分离器、气体质量流量计和电子天平组成；所述的取样机构采用手动泵和活塞式取样器，在活塞式取样器的活塞的左端预增入一与物理模型机构内同等的压力，再通过退泵实现等压取样；所述的工控机在Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００或ＸＰ环境下运行，采用ＶＢ编程，适时对各种压力、温度、电阻率、气体体积、液体体积数值的采集和处理，控制各机构的运行。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：余义兵，宁伏龙，蒋国盛，张凌，刘力，王跃伟，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：83
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